灵巧手行业深度报告：东风已至，星辰大海

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一、灵巧手：人形机器人交互核心部件

1.1 灵巧手较普通执行器有更高自由度要求

人形机器人是机器人适应人类环境的最优解。相比专门为单一任务设计的机器人，人形机器人可以在不同场景之间快速切换，具有高度的通用性和灵活性，能够执行多种不同类型的任务，具有更广阔的商业应用前景。此外，相较于其他形态的机器人，人形机器人能够更好地适应按照人类的身体特征和操作习惯来设计的各类基础设施，无需对现有的环境和设施进行大规模改造。因此，类人化设计的商业化前景、改造成本等因素影响下，人形机器人是目前最优解。

灵巧手是人形机器人重要的末端执行器。末端执行器直接安装在机器人手腕上，用于夹持工件、或让工具按照规定的程序完成的工作的机构。相较于普通工业机械手（自由度少、结构简单、易于控制），类人化设计的灵巧手对控制精度、灵活性要求极高。目前，仿人机器人末端执行器有两种：柔性手和仿生多指灵巧手。其中，灵巧手是模拟人类手部功能的高自由度机械装置，具备抓取、操作、感知等能力，是人形机器人实现精细交互的核心执行器。

灵巧手功能设计类人化，具备较高自由度要求。若参照人类手部的灵活度，手指 + 腕部共 24 个自由度，抓握、拾取等动作需不同手部环节进行配合。手指环节中，各手指远离手腕的两个关节主要完成弯曲 / 伸展类动作，各手指靠近手腕的关节则兼备弯曲 / 伸展类、侧摆类两大动作执行功能。此外，腕掌环节为完成手部抓握等动作也具备独立于手指的自由度。Tesla 于 2024 年 11 月公布的 Optimus 最新动态中指出其灵巧手已具备 22 个自由度，较上一版本的 11 个自由度个数大幅提升，已逐步接近人类手部灵活度。

1.2 灵巧手需具备多种功能执行能力

灵巧手需兼具高灵活性、精准执行及反馈以及自适应等能力。为高效执行相应动作指令，人形机器人灵巧手的设计需要满足高度仿生、灵活操作和复杂环境适应性等要求，具备负载能力、运动能力、控制能力、感知能力等：

高自由度与灵活性：需尽可能匹配人类手部自由度，以实现抓、握、捏、推拉等精细动作，其活动范围需接近人类活动范围（如拇指对掌运动），可通过协同关节运动补偿机械误差等方式实现冗余控制。
精准抓握与自适应抓取：具备一定负载能力的同时，可实现抓握力的连续调节（如抓握鸡蛋等轻物过渡至抓握大型负载等重物），稳定抓握住物体，同时灵巧手需兼具自适应能力，基于物体形状、材质（软 / 硬、光滑 / 粗糙）自动调整抓取策略（如指尖捏取、包裹式抓握）。
环境感知及执行反馈：具备触觉、温度等外部感知能力，力觉等内部感知能力，同时保持毫秒级响应延迟，确保动态操作（如接抛球、拧瓶盖）。

灵巧手的性能和成本受其三大核心组件 — 驱动系统、传动系统和传感装置的共同影响。驱动系统（各类电机）提供动力来源，驱动手指关节运动；传动系统（齿轮、连杆、腱绳等）将驱动系统的动力高效传递到手指关节，并调节输出的力、速度和行程；传感系统（各类传感器）实时监测手指状态（位置、力、触觉等），反馈给控制系统以实现闭环调节。

参照中商产业研究院数据，2024 年全球机器人灵巧手市场规模约 76 万只 / 17 亿美元，至 2030 年全球机器人灵巧手市场规模将突破 141 万只 / 30 亿美元。

二、驱动系统：集成智能，灵活动作

2.1 驱动形式：欠驱动具备更高实用性，电机驱动为主流

2.1.1 全驱动、欠驱动：精密性与简化性的取舍

从自由度与驱动源的匹配数量来看，灵巧手驱动方式可分为全驱动和欠驱动。全驱动指的是系统执行器的数目等于其自由度数目，即执行器主动控制自由度 DoA = 自由度 DoF，可实现系统完全可控稳定。欠驱动方案即 DoA＜DoF，通过相应控制仍可实现对应功能。

全驱动方案可满足高精度控制，集成性、抗冲击柔性等有待提升。全驱动方案为机器人灵巧手每个自由度均配置相应执行器进行控制，可做到每个手指关节独立可控，可实现计划人类手指全部功能。兆威机电 2024 年 11 月发布的全驱高可靠灵巧手配备 17 个主动执行单元，其中单指节拥有 3 个及以上主动执行单元，准确模拟人手部的抓握等精细动作。但从机电系统硬件角度而言，全驱动方案的系统整体集成性较差，容易造成灵巧手体积庞大，且所需控制关节与执行器众多，容易造成运动控制复杂度过高，不利于抗冲击柔性设计。此外，全驱动方案的整体成本较高，灵巧手大规模推广应用难度较大。

欠驱动方案可借助耦合等提高自由度，具备更高实用性。欠驱动系统指的是系统执行器数目少于自由度的系统，欠驱动关节通常依靠耦合机制（如绳索、连杆等）驱动。在抓取过程中，欠驱动机构可以通过自身的结构特性，自动适应物体的形状和位置，从而实现稳定的抓取。由于欠驱动系统使用更少的驱动器，降低了系统的复杂性和成本，提高了系统的可靠性和能源效率，目前在灵巧手中应用更为广泛。特斯拉 OptimusGen3 灵巧手通过腱绳传动实现欠驱动，自由度提升至 22 个，可实现稳定抓握及抛接球等复杂动作。

2.1.2 电机驱动具备高精度、高集成性优势

电机驱动具备高精度、高集成性优势，为灵巧手主流驱动方式。驱动系统的主要功能是为灵巧手的各个关节提供动力，使手指能够实现各种动作。驱动系统的性能直接影响灵巧手的运动速度、力量和精度。常见的驱动方式有电机驱动、液压驱动、气压驱动、形状记忆合金（SMA）驱动等。电机驱动具备高精度、高集成性、响应快、控制方便等优势，是目前灵巧手应用最广泛的驱动方式。

液压驱动响应快、输出力大，但对密封性要求高。液压驱动利用液体的压力能来传递动力，通过液压泵将机械能转换为液体的压力能，再通过液压缸或液压马达将液体的压力能转换为机械能，驱动灵巧手的关节运动。液压驱动具有响应速度快、输出力大、功率密度高、控制精度较高等优点，但缺点在于液压系统对密封性要求高，容易出现泄漏问题，且液压元件体积较大，不利于灵巧手的小型化和轻量化设计。此外，液压系统需要配备专门的液压泵站，增加了系统的复杂性和成本。

气压驱动成本低、结构简单，但输出力和控制精度有限。气压驱动是以压缩空气为工作介质，通过气动元件将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动灵巧手的关节运动。气压驱动具有成本低、结构简单、维护方便、动作迅速、无污染等优点，但气压驱动的输出力相对较小，控制精度较低，运动平稳性较差，不适用于对抓取力和操作精度要求较高的场合。

SMA 驱动具有仿生性、柔顺性优势，但响应速度慢、输出功率小。形状记忆合金（SMA）是一种具有形状记忆效应的智能材料，在一定温度下发生变形后，当温度恢复到特定值时，材料能够恢复到原来的形状。SMA 驱动利用形状记忆合金的这种特性，通过加热或冷却 SMA 丝来实现灵巧手关节的运动。SMA 驱动具有结构简单、重量轻、仿生性好、柔顺性好等优点，能够在一些特殊场合发挥作用。但 SMA 驱动的响应速度较慢，输出功率较小，需要较长的时间来加热和冷却 SMA 丝，限制了其在快速动作场合的应用。此外，SMA 丝的寿命有限，经过多次反复变形后，形状记忆效应会逐渐减弱。

2.2 电机驱动器：空心杯电机为灵巧手主流选择

灵巧手对电机驱动器的性能要求较高，空心杯电机为当前主流选择。灵巧手作为人形机器人的重要执行部件，需要电机驱动器具备体积小、重量轻、功率密度高、响应速度快、控制精度高等特点。目前，灵巧手常用的电机驱动器主要有空心杯电机、有槽无刷电机、直流伺服电机等。空心杯电机具有无铁芯转子，转动惯量小，响应速度极快，能够在短时间内实现启停和正反转，且控制精度高，可达到 ±0.01°，能够满足灵巧手对精细动作的控制要求。此外，空心杯电机的体积小、重量轻，有利于灵巧手的轻量化设计。因此，空心杯电机在灵巧手领域得到了广泛应用。例如，宇树科技的 UnitreeDex5 灵巧手、灵心巧手的 L20 灵巧手等均采用了空心杯电机作为驱动电机。

有槽无刷电机转矩密度高，成本优势显著。有槽无刷电机是在传统有刷直流电机的基础上发展而来的，通过电子换向器代替机械换向器，消除了电刷与换向器之间的摩擦和火花，提高了电机的可靠性和使用寿命。有槽无刷电机的转矩密度较高，能够在较小的体积下输出较大的转矩，且成本相对较低，在一些对成本较为敏感、对性能要求相对较低的灵巧手应用中具有一定的优势。例如，Schunk 的 EGP40 电动平行夹爪采用了有槽无刷电机，具有较高的性价比。

直流伺服电机控制精度高，但体积和重量较大。直流伺服电机是一种能够精确控制转速和位置的电机，通过反馈装置（如编码器）将电机的实际转速和位置信息反馈给控制器，控制器根据反馈信息对电机进行实时调整，从而实现高精度的控制。直流伺服电机的控制精度高，可达到 ±0.001°，但由于其结构相对复杂，体积和重量较大，在灵巧手的应用中受到一定的限制，一般用于对控制精度要求极高且对空间和重量限制较小的场合。

三、传动系统：精密高效，路线各异

3.1 刚性传动：高精度、高负载能力

刚性传动通过机械结构传递动力，具有高精度、高负载能力的特点。刚性传动是灵巧手传动系统中较为常见的一种方式，主要包括齿轮传动、丝杠传动、连杆传动等。这些传动方式通过刚性的机械部件，如齿轮、丝杠、连杆等，将驱动系统的动力传递到手指关节，实现手指的运动。刚性传动的优点是传动精度高、能够承受较大的负载、可靠性高、寿命长等，适用于对抓取力和操作精度要求较高的场合。

齿轮传动结构紧凑，传动比准确。齿轮传动是利用齿轮的轮齿相互啮合来传递动力和运动的一种传动方式。齿轮传动具有结构紧凑、传动比准确、传动效率高、工作可靠、寿命长等优点。在灵巧手中，齿轮传动常用于实现手指关节的旋转运动，通过不同齿数的齿轮组合，可以实现不同的传动比，从而满足不同的运动需求。例如，在一些仿人灵巧手中，通过行星齿轮传动机构来实现手指关节的高精度运动控制，行星齿轮传动具有传动比大、结构紧凑、承载能力强等优点，能够有效地提高灵巧手的性能。

丝杠传动可实现直线运动，精度高。丝杠传动是一种将回转运动转化成直线运动或将直线运动转化为回转运动的传动装置。丝杠传动主要包括滚珠丝杠和行星滚柱丝杠等。滚珠丝杠是通过滚珠在丝杠和螺母之间的滚动来实现传动，具有传动效率高、精度高、响应速度快、运动平稳等优点，能够将电机的旋转运动精确地转化为直线运动，适用于需要精确控制手指位置和力的场合。例如，THK 的 BNK0401 滚珠丝杠，外径仅 4mm，精度可达 ±3μm，非常适合应用于灵巧手的小型化设计。行星滚柱丝杠则是通过行星滚柱在丝杠和螺母之间的滚动来传递动力，与滚珠丝杠相比，行星滚柱丝杠具有更高的承载能力和刚度，能够承受更大的轴向力和径向力，但其结构复杂，制造工艺难度大，成本较高。在一些对负载能力要求较高的灵巧手应用中，行星滚柱丝杠具有一定的优势。

连杆传动结构简单，易于实现复杂运动。连杆传动是通过连杆机构将驱动系统的动力传递到手指关节，实现手指的运动。连杆传动具有结构简单、成本低、易于实现复杂运动等优点。在灵巧手中，连杆传动常用于实现手指的弯曲和伸展运动，通过合理设计连杆的长度和形状，可以使手指实现类似于人类手指的运动轨迹。例如，一些早期的仿人灵巧手采用连杆传动方式，通过多个连杆的组合，实现了手指的多自由度运动。但连杆传动也存在一些缺点，如传动精度相对较低、运动过程中容易产生惯性力和振动等，在一定程度上影响了灵巧手的操作性能。

3.2 柔性传动：高自由度、灵活性

柔性传动采用柔性元件传递动力，具有高自由度、灵活性的优势。柔性传动是指利用柔性元件，如腱绳、钢带等，将驱动系统的动力传递到手指关节的一种传动方式。与刚性传动相比，柔性传动具有更高的自由度和灵活性，能够使手指实现更加复杂和自然的运动，且柔性元件的质量轻、占用空间小，有利于灵巧手的轻量化设计。此外，柔性传动还具有较好的柔顺性，能够在抓取物体时根据物体的形状和表面特性自动调整抓握力，避免对物体造成损伤。

腱绳传动应用广泛，超高分子聚乙烯纤维性能优异。腱绳传动是柔性传动中应用最为广泛的一种方式，它通过腱绳将电机的动力传递到手指关节，实现手指的运动。在腱绳传动系统中，腱绳通常采用高强度、低弹性的材料制成，如超高分子聚乙烯（UHMWPE）纤维。UHMWPE 纤维具有极高的抗拉强度，可达 3400MPa，且质量轻、抗磨损、耐腐蚀，能够在保证传动可靠性的同时，减少系统的重量和惯性。与传统的钢丝相比，UHMWPE 纤维制成的腱绳成本虽然较高，约为钢丝的 30%，但综合性能更优，能够更好地满足灵巧手对高性能传动元件的需求。例如，特斯拉 Optimus 的灵巧手采用了腱绳传动技术，通过超高分子聚乙烯纤维制成的腱绳，实现了 22 个自由度的高灵活运动，能够完成诸如抓握、搬运、操作工具等复杂任务。

钢带传动平稳，适用于特殊场合。钢带传动是利用钢带作为传动元件，将驱动系统的动力传递到手指关节的一种传动方式。钢带传动具有传动平稳、噪音低、寿命长等优点，适用于一些对运动平稳性要求较高的特殊场合。在钢带传动系统中，钢带通常采用高强度的合金材料制成，具有较高的抗拉强度和耐磨性。钢带传动的缺点是结构相对复杂，成本较高，且钢带的柔韧性有限，在实现高自由度运动方面相对腱绳传动具有一定的局限性。因此，钢带传动在灵巧手领域的应用相对较少，主要应用于一些对运动精度和稳定性要求极高的特定场景。

3.3 混合传动：融合优势，平衡需求

混合传动融合刚性与柔性传动优势，平衡刚性 / 柔性需求。随着灵巧手技术的不断发展，单一的刚性传动或柔性传动方式往往难以满足日益复杂的应用需求。因此，越来越多的灵巧手开始采用混合传动方式，将刚性传动和柔性传动的优点相结合，以实现更高的性能。混合传动可以根据不同的应用场景和需求，灵活选择刚性传动和柔性传动的组合方式，从而在保证高精度、高负载能力的同时，提高灵巧手的自由度和灵活性。

例如，特斯拉 OptimusGen3 的灵巧手采用了行星齿轮 + 丝杠 + 腱绳的组合传动方案。在该方案中，行星齿轮传动用于实现电机的减速和扭矩放大，提高系统的传动效率和承载能力；丝杠传动则将电机的旋转运动转化为直线运动，实现对手指关节位置的精确控制；腱绳传动则负责连接各个关节，提供更高的自由度和灵活性，使手指能够实现更加复杂和自然的运动。通过这种混合传动方式，OptimusGen3 的灵巧手在保证高精度操作的同时，具备了更强的环境适应能力和复杂任务执行能力。

又如，灵心巧手在研的 L30 灵巧手由前两代的连杆传动转向腱绳传动 + 刚性传动的复合传动方案，自由度从 L20 的 20 个提升至 25 个。其中，刚性传动部分采用丝杠等结构，保证了传动的精度和稳定性；腱绳传动部分则为手指提供了更大的运动范围和灵活性。这种混合传动方案使得 L30 灵巧手在性能上得到了显著提升，能够更好地满足未来复杂应用场景的需求。

混合传动方案能够充分发挥刚性传动和柔性传动的优势，为灵巧手的设计和发展提供了新的思路和方向。随着技术的不断进步和创新，混合传动方式将在灵巧手领域得到更加广泛的应用和发展。

四、传感系统：高敏多能，进程加速

4.1 灵巧手传感器系统对抓取、操控和感知能力影响较大

机器人众多环节均大规模采用多种传感器，以使得机器人 “拟人化”。传感器作为机器人获取外界信息的关键部件，对于提升机器人的智能化水平、适应复杂环境以及实现与人类的安全交互至关重要。在机器人的各个环节，包括关节、手臂、手腕、手部等，都广泛应用了多种类型的传感器，如力 / 力矩传感器、触觉传感器、位置 / 角度传感器、视觉传感器、听觉传感器等，以实现对机器人自身状态和周围环境的全面感知，使机器人能够像人类一样感知和理解周围世界，做出更加智能和准确的决策。

灵巧手传感器系统对抓取、操控和感知能力影响较大。灵巧手作为机器人与外界环境直接交互的关键部件，其传感器系统的性能直接影响着机器人的抓取、操控和感知能力。通过在灵巧手上集成多种传感器，如力 / 力矩传感器、触觉传感器、位置 / 角度传感器等，机器人能够实时感知手部与物体之间的接触